探索生命之源

生命的起源，這是個(gè)神秘莫測(cè)的問(wèn)題，同時(shí)也是人們最關(guān)心的問(wèn)題。這是類似于“先有蛋還是先有雞”的命題：地球上最早最古老的生物高分子究竟是什么？是蛋白質(zhì)還是核酸？核酸的合成需要酶的催化，而蛋白質(zhì)的合成又需要核酸作為遺傳模版。它們之中誰(shuí)是導(dǎo)致生命誕生的“第一元素”？美國(guó)生物化學(xué)家薩姆納于1926年首次提純出一種名叫“豚酶”的酶，而證明酶是一種蛋白質(zhì)。他因此榮獲了1946年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。薩姆納的發(fā)現(xiàn)使生物學(xué)家們認(rèn)為：是酶在起到細(xì)胞分裂的催化功能，因此在生命最初誕生的那一刻是先有蛋白質(zhì)，后有核酸。在20世紀(jì)80年代以前，人們已知道核酸是遺傳信息的載體，但一般認(rèn)為它們并不具有生物催化作用，只有蛋白質(zhì)才具有生物催化作用，是它導(dǎo)致了生命的誕生。細(xì)胞內(nèi)核酸作為遺傳信息分子、蛋白質(zhì)作為催化分子分工的觀點(diǎn)得到普遍認(rèn)同，并被作為“生物化學(xué)的基本定論”，寫(xiě)入有關(guān)的教科書(shū)，統(tǒng)治了生物學(xué)界半個(gè)多世紀(jì)。

細(xì)胞板

新陳代謝概念圖解

1978年—1981年，美國(guó)化學(xué)家?jiàn)W爾特曼和美國(guó)化學(xué)家T．切赫分別在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：核糖核酸具有生物催化作用，具有酶一樣的活性。這一發(fā)現(xiàn)意味著：地球上最早最古老的生物高分子有可能是不僅具有攜帶遺傳信息功能、也具有生物催化功能的核糖核酸分子。這一發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家們對(duì)生命起源于蛋白質(zhì)的定論重新審視。由于這一發(fā)現(xiàn)，奧爾特曼與切赫于1989年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

20世紀(jì)的50年代初，南太平洋島國(guó)新幾內(nèi)亞西部原始森林中的土著民族佛魯人中流行一種怪病——“庫(kù)魯病”?；颊叱跗谝种撇蛔〉卣痤潯⑺闹嚁佇猿榇?、精神錯(cuò)亂，并不時(shí)發(fā)出痛苦、可怕的笑聲，最終導(dǎo)致癱瘓而死亡。這種病原因不明，有的部落近半數(shù)的人死于這種病。

美國(guó)醫(yī)學(xué)家和病毒學(xué)家蓋達(dá)塞克冒著被傳染的危險(xiǎn)，歷時(shí)10年深入土著人部落生活調(diào)查庫(kù)魯病。蓋達(dá)塞克發(fā)現(xiàn)，佛魯人有一種野蠻的習(xí)俗：當(dāng)家中有人死去時(shí)，女眷和兒童生食死者的大腦，而庫(kù)魯病患者恰恰以婦女和青少年居多。于是，蓋達(dá)塞克勸說(shuō)當(dāng)?shù)厝烁某@種陋習(xí)。數(shù)年后，庫(kù)魯病的發(fā)病率大為降低。

蓋達(dá)塞克對(duì)庫(kù)魯病病死者的大腦進(jìn)行培養(yǎng)和分析，但始終未能找出致病的細(xì)菌或病毒。后來(lái)受其他科學(xué)家的啟發(fā)，他認(rèn)定這是一種人類尚未認(rèn)識(shí)的、比病毒還小的病原微生物，蓋達(dá)塞克將它命名為“慢病毒”。后來(lái)，他和其他科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了另外幾種能導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)疾病的慢病毒，并榮獲1976年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)神經(jīng)生理學(xué)家普魯西納發(fā)現(xiàn)了一種比病毒還小、內(nèi)部不存在核酸的微生物致病因子。由于這種致病因子具有蛋白質(zhì)的性質(zhì)，所以普魯西納將其命名為“朊毒體”。

1985年，世界上發(fā)現(xiàn)首例瘋牛病。1992年，歐洲瘋牛病流行。同時(shí)，人們又發(fā)現(xiàn)羊的亞急性傳染性海綿樣腦病、人的新克雅氏癥都具有與瘋牛病類似的癥狀，并且都有腦組織壞死，這三種病的罪魁禍?zhǔn)拙褪瞧蒸斘骷{所發(fā)現(xiàn)的“朊毒體”。后來(lái)普魯西納和其他科學(xué)家經(jīng)進(jìn)一步證明：庫(kù)魯病和老年癡呆癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病，也都是由與朊毒體類似的病原微生物所引起的，慢病毒與朊毒體可能是同一類生物體。普魯西納因此榮獲了1997年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

雙胞胎的產(chǎn)生

朊毒體的發(fā)現(xiàn)無(wú)疑向“一切生物都存在核酸、遺傳必須經(jīng)過(guò)核酸”的生物學(xué)“圣經(jīng)”發(fā)起了挑戰(zhàn)，即蛋白質(zhì)也可能具有遺傳功能，并為生命起源的研究開(kāi)辟了新思路。但這一點(diǎn)目前還有待進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。

DNA是螺旋狀的，生命科學(xué)的探索之路也是螺旋的，而且是永無(wú)止境的。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)體現(xiàn)著一種科學(xué)之美，它與和諧的大自然之美交相輝映?？茖W(xué)家們?yōu)槲覀冋故玖丝茖W(xué)之美、探索之美，而且通過(guò)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步為人類創(chuàng)造了日益美好的生活。人體自身和大千世界還有數(shù)不清的未解之謎，正等待著人們進(jìn)行探索。讓我們體驗(yàn)美、探索美，續(xù)寫(xiě)和創(chuàng)造永無(wú)止境的螺旋之美。

基因操作示意圖

基因工程藥物

生物工程技術(shù)的誕生與應(yīng)用不僅改變了我們的生活而且還讓我們?yōu)槟愕纳疃嘧硕嗖省?977年，美國(guó)加利福尼大學(xué)的遺傳學(xué)家博耶等人，用基因重組技術(shù)，在大腸桿菌中制造出5毫克的人生長(zhǎng)激素抑制因子。如果用傳統(tǒng)的辦法從羊腦中提取5毫克生長(zhǎng)激素抑制因子，那就要有50萬(wàn)個(gè)羊腦。這是基因工程應(yīng)用的一大勝利。

糖尿病是患者胰腺不能正常分泌胰島素，引起血糖過(guò)高而至，其死亡率僅次于癌癥和心臟病。全世界的糖尿病患者已達(dá)數(shù)千萬(wàn)人。20世紀(jì)初，醫(yī)生們就采用胰島素治療糖尿病。但胰島素以往主要靠從牛、豬等大牲畜的胰臟中提取，一頭牛的胰臟或一頭豬的胰臟只能產(chǎn)生30毫升的胰島素，而一個(gè)病人每天則需要4毫升的胰島素，胰島素產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。

1978年，美國(guó)化學(xué)家吉爾伯特領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，利用重組DNA技術(shù)成功地使大腸桿菌生產(chǎn)出胰島素。

為基因重組技術(shù)商業(yè)化而建立的第一家公司是南舊金山的一家名叫杰納泰克的公司。該公司是由博耶和企業(yè)家斯旺森創(chuàng)辦的，該公司能夠大量生產(chǎn)人體胰島素。1982年，用基因技術(shù)生產(chǎn)的胰島素產(chǎn)品獲得批準(zhǔn)并投入使用。

干擾素是兩位美國(guó)科學(xué)家在1957研究病毒的干擾現(xiàn)象時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種抗病毒的特效藥，能戰(zhàn)勝病毒引起的感染，如水痘、肝炎和狂犬病等。干擾素本是我們身體內(nèi)部少數(shù)幾種能抵御病毒的天然防御物質(zhì)之一，是在病毒入侵細(xì)胞以后從仍然健康的細(xì)胞中自然產(chǎn)生的。但人體內(nèi)產(chǎn)生的干擾素?cái)?shù)量非常小，所以當(dāng)時(shí)生產(chǎn)的干擾素?cái)?shù)量很少而十分昂貴。

基因表達(dá)過(guò)程示意圖

1980年，由美國(guó)生物化學(xué)家博耶和科恩創(chuàng)建的基因工程公司，通過(guò)各種不同基因組合得到幾種生產(chǎn)干擾素的細(xì)菌。1981年，又用酵母菌生產(chǎn)干擾素獲得成功。過(guò)去，用白細(xì)胞生產(chǎn)干擾素，每個(gè)細(xì)胞最多只能產(chǎn)生100～1000個(gè)干擾素分子；而用基因工程技術(shù)改造的大腸桿菌發(fā)酵生產(chǎn)，在1～2天內(nèi)，每個(gè)菌體能產(chǎn)生20萬(wàn)個(gè)干擾素分子。現(xiàn)在，美國(guó)已經(jīng)采用基因工程來(lái)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)干擾素。

中國(guó)在1982年已用基因工程方法組建了生產(chǎn)干擾素的大腸桿菌新菌種，它產(chǎn)生的干擾素跟天然干擾素一樣具有抗病毒活性。同年，復(fù)旦大學(xué)遺傳研究所獲得人干擾素基因克隆的酵母菌株。1983年建立了人甲種干擾素基因工程無(wú)性繁殖系，并用于生產(chǎn)。

基因鑒定技術(shù)

DNA鑒定技術(shù)是英國(guó)遺傳學(xué)家杰弗里斯在1984年發(fā)明的。DNA鑒定技術(shù)除了可鑒定個(gè)人身份外，在鑒定親屬關(guān)系上也很有效。人體細(xì)胞有總數(shù)約為30億個(gè)堿基對(duì)的DNA，每個(gè)人的DNA都不完全相同，人與人之間不同的堿基對(duì)數(shù)目達(dá)幾百萬(wàn)之多，因此通過(guò)分子生物學(xué)方法顯示的DNA圖譜也因人而異，由此可以識(shí)別不同的人。所謂“DNA指紋”，就是把DNA作為像指紋那樣的獨(dú)特特征來(lái)識(shí)別不同的人。由于DNA是遺傳物質(zhì)，因此通過(guò)對(duì)DNA鑒定還可以判斷兩個(gè)人之間的親緣關(guān)系。由于人體各部位的細(xì)胞都有相同的DNA，因此可以通過(guò)檢查血跡、毛發(fā)、唾液等判明身份。

2000年，我國(guó)河南省鄭州市首次頒發(fā)DNA身份證。這張?zhí)厥獾纳矸葑C表面印有持有者的姓名、年齡、性別、出生年月、血型、身份證號(hào)、照片等，但它的奧秘和價(jià)值所在是下方的一長(zhǎng)排條文形碼。個(gè)人的遺傳基因秘密就藏在這些條碼中，顯示持有者存在的惟一性。擁有者將真正與世界上其他60億人口區(qū)分開(kāi)來(lái)。DNA身份證在人體器官移植、輸血、耐藥基因的認(rèn)定和干細(xì)胞移植方面都有非常大的作用。用DNA鑒定身份的技術(shù)在阿根廷內(nèi)戰(zhàn)期間也起到了重要作用。戰(zhàn)爭(zhēng)讓許多孩子失去了父母。戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，政府希望把這些孩子們交付給他們的親戚，使他們回到親人的懷抱?？墒窃鯓邮顾麄儧](méi)見(jiàn)過(guò)面的親戚相信孩子是自己的親屬呢？科學(xué)家采用DNA鑒定技術(shù)，將孩子血液中的DNA與可能是他們親戚的DNA相比較，結(jié)果至少幫助50多個(gè)孩子找到了親人?，F(xiàn)在這種技術(shù)，已經(jīng)廣泛被各國(guó)采用了。

多莉和它的養(yǎng)父

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，指紋技術(shù)給偵破工作帶來(lái)很大方便。但罪犯越來(lái)越狡猾，許多作案現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有留下指紋?，F(xiàn)在有了DNA指紋鑒定技術(shù)，只要罪犯在案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)留下任何與身體有關(guān)的東西，例如血跡和毛發(fā)，警方就可以根據(jù)這些蛛絲馬跡將其擒獲，準(zhǔn)確率非常高。DNA鑒定技術(shù)在破獲強(qiáng)奸和暴力犯罪時(shí)特別有效，因?yàn)樵诖祟惏讣?，罪犯很容易留下包含DNA信息的罪證。

根據(jù)DNA指紋破案雖然準(zhǔn)確率高，但也有出錯(cuò)的可能，因?yàn)閮蓚€(gè)人的DNA指紋在測(cè)試的區(qū)域內(nèi)有完全吻合的可能。因此在2000年英國(guó)將DNA指紋測(cè)試擴(kuò)展到10個(gè)區(qū)域，使偶然吻合的危險(xiǎn)幾率降到十億分之一。即使這樣，出錯(cuò)的可能性仍未排除。

基因療法

基因療法，即是通過(guò)基因水平的操作來(lái)治療疾病的方法?；蚴恰吧脑O(shè)計(jì)圖”，當(dāng)基因因?yàn)橥蛔?、缺失、轉(zhuǎn)移或是不正常的擴(kuò)增而“出錯(cuò)”時(shí)，細(xì)胞制造出來(lái)的蛋白質(zhì)數(shù)量或是形態(tài)就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，人體也就生病了。所以要治療這種疾病最根本的方法，就是找出基因發(fā)生“錯(cuò)誤”的地方和原因，把它矯正回來(lái)，疾病自然就會(huì)痊愈了。

目前的基因療法是先從患者身上取出一些細(xì)胞，然后利用對(duì)人體無(wú)害的逆轉(zhuǎn)錄病毒當(dāng)載體，把正常的基因嫁接到病毒上，再用這些病毒去感染取出的人體細(xì)胞，讓它們把正?；虿暹M(jìn)細(xì)胞的染色體中，使人體細(xì)胞就可以“獲得”正常的基因，以取代原有的異常基因；接著把這些修復(fù)好的細(xì)胞培養(yǎng)、繁殖到一定的數(shù)量后，送回患者體內(nèi)，這些細(xì)胞就會(huì)發(fā)揮“醫(yī)生”的功能，把疾病治好了。

美國(guó)醫(yī)學(xué)家安德森等人對(duì)腺甘脫氨酶缺乏癥的基因治療，是世界上第一個(gè)基因治療成功的范例。

1990年9月14日，安德森對(duì)一例患ADA缺乏癥的4歲女孩進(jìn)行基因治療。這個(gè)4歲女孩由于遺傳基因有缺陷，自身不能生產(chǎn)ADA，先天性免疫功能不全，只能生活在無(wú)菌的隔離帳里。他們將含有這個(gè)女孩自己的白血球的溶液輸入她左臂的一條靜脈血管中，這種白血球都已經(jīng)過(guò)改造，有缺陷的基因已經(jīng)被健康的基因所替代。在以后的10個(gè)月內(nèi)她又接受了7次這樣的治療，同時(shí)也接受酶治療。1991年1月，另一名患同樣病的女孩也接受了同樣的治療。兩患兒經(jīng)治療后，免疫功能日趨健全，能夠走出隔離帳，過(guò)上了正常人的生活，并進(jìn)入普通小學(xué)上學(xué)。

繼安德森之后，法國(guó)巴黎奈克兒童醫(yī)院的費(fèi)舍爾博與卡波博士也對(duì)兩例先天性免疫功能不全的患兒成功地行了基因治療。

盡管目前只有極少數(shù)的基因療法開(kāi)始在臨床試用，多數(shù)還處于研究階段，但它的潛力極大、發(fā)展前景廣闊。

延長(zhǎng)壽命

長(zhǎng)生不老，一個(gè)人類追尋了幾千年的夢(mèng)想，直到現(xiàn)在學(xué)家們還在不懈的努力。從公元3500年前開(kāi)始，人類就始尋找長(zhǎng)生不老藥。老化的原因有多種因素，如蛋白質(zhì)傷、DNA損傷、細(xì)胞膜損傷、細(xì)胞內(nèi)積累廢棄物、端粒短等。

導(dǎo)致衰老的各種原因

提升壽命上限的目標(biāo)可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)，除了治療疾病、均衡營(yíng)養(yǎng)、減少環(huán)境污染、適量運(yùn)動(dòng)等方法外，發(fā)掘控制衰老或長(zhǎng)壽的基因成為最受科學(xué)家、也是最有潛力的途徑之一。

線蟲(chóng)是體長(zhǎng)1厘米左右的小生物，約由1000個(gè)細(xì)胞構(gòu)成，棲息在土中，最長(zhǎng)壽命不到22天，很適合用來(lái)做壽命實(shí)驗(yàn)?？刂凭€蟲(chóng)壽命的基因有許多，破壞其中“時(shí)鐘1基因”可使線蟲(chóng)的壽命延長(zhǎng)1．5倍。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，人類也有與時(shí)鐘1基因大致相同的基因。研究人員除了找到時(shí)鐘1基因，還找到了“年齡1基因”、“daf－2”等受損會(huì)延長(zhǎng)壽命的基因。人類的DNA中原來(lái)就有負(fù)責(zé)化解活性氧毒性的基因，我們也可以采取活化該基因的辦法，以防止老化。

科學(xué)家的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，熱量限制可以延長(zhǎng)包括哺乳動(dòng)物在內(nèi)的許多物種動(dòng)物的生命周期。其原因，一種解釋是它減少了氧自由基對(duì)細(xì)胞造成的損傷。利用酶聚合反應(yīng)，通過(guò)抗氧化劑來(lái)控制氧化壓力。研究發(fā)現(xiàn)，由于限制熱量攝入而延長(zhǎng)生命的現(xiàn)象與一種叫作SIR2基因有關(guān)。

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，一種成為“我還活著”的基因一旦發(fā)生改變，就會(huì)使果蠅壽命延長(zhǎng)一倍。人體內(nèi)也存在這種基因，它是通過(guò)改變新陳代謝來(lái)發(fā)揮作用的。有一種早衰癥，病癥是過(guò)早脫發(fā)、白內(nèi)障、血管鈣化、冠心病、糖尿病、以及癌癥等，病人的平均壽命是47歲，而這種疾病就是一種基因?qū)е碌摹?/p>

DNA纏繞成的染色體末端，有稱做端粒的區(qū)域?？刂浦?xì)胞的分裂次數(shù)，端粒隨著細(xì)胞分裂每次變短，短到某個(gè)程度，細(xì)胞將不再分裂。人的一生中，細(xì)胞大約能分裂50～60次。因此端粒是控制生理壽命的生物鐘，而端粒長(zhǎng)短就成為表示細(xì)胞“年齡”的指標(biāo)。如果加入一種“端粒酶”阻止它縮短，就可使細(xì)胞保持年輕，人就像吃了“唐僧肉”一樣實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)生不老的夢(mèng)想。